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数控机床误差的辨识新方法研究及补偿应用

鲁志政  
【摘要】: 随着现代机械制造技术的飞速发展,精密和超精密加工技术已经成为现代机械制造的重要组成部分。数控机床作为机械制造中的重要工具,它的精度指标是影响工件加工精度的重要因素。因此,提高数控机床精度的研究受到了极大的关注。数控机床的体积定位精度包括线性位移误差、直线度误差、垂直度误差、角偏和刚性误差,这些误差决定了数控机床的精度性能。机床在工作中产生运动误差难以避免,为了提高机床的加工精度,这就需要对机床的误差检测及补偿做出研究。对于三轴机床(加工中心),在空间直角坐标系中,总共就会产生21项误差,逐一测量这些误差非常费事费时间。因此,如何能够高效精确地检测数控机床的体积定位精度关系到数控机床的补偿性能和精度。通过测量数控机床各项误差并加以补偿,可以很好地改善机床性能,从而大大提高加工精度。本文在数控机床误差的检测以及补偿方面做了以下几个有益的尝试和探索。 (1)通过与美国光动公司合作,在结合矢量运算和体对角线多步测量法的基础上,提出激光矢量分步对角线测量方法来测量数控机床的体积误差。该方法具有使用方便和调整快速的特点,可以方便地获得可用于机床空间位置误差补偿的12项机床误差元素,包括3个定位误差、6个直线度误差和3个垂直度误差,从而为误差补偿实施开创了有利条件,并利用补偿软件自动生成补偿代码,最后通过实验验证了该方法的高效辨识性和可靠性。 (2)进一步分析了激光矢量分步对角线法的辨识精度和辨识条件,并且发现实际测量中可能遇到因为辨识条件不满足而导致的辨识精度下降的问题。通过合理数学分析、假设、几何图形运算和理论推导,提出了一种新的补充方案。该方案可以在辨识条件不具备的情况下,即激光束与平面镜不垂直的前提下,提高数控机床对直线度误差和垂直度误差的辨识精度。 (3)分析热因素在机床误差辨识的过程中的影响,针对铣床做了连续14天的实验数据采集,然后经过数据处理、分析、比对,以及一些合理的数学变换,得到了引起机床热对机床各误差的影响大小和关键点的分步特征,并针对这些因素,采取了改变了铣床的结构,改善冷却液的使用以及冷却液的走向,大大降低了热因素对机床误差的影响,获得了很好的试验效果。最后还针对热误差采用时序法建模,优化模型,通过实施补偿成功的将机床的热误差从补偿前的25.32微米减小到补偿后的8.57微米。


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